Bioniske partikler samler sig selv for at fange lys

Inspireret af fiktive cyborgs som Terminator, et team af forskere ved University of Michigan og University of Pittsburgh har lavet de første bioniske partikler fra halvledere og proteiner.

Disse partikler genskaber hjertet i processen, der gør det muligt for planter at omdanne sollys til brændstof.

"Menneskets bestræbelser på at omdanne sollysets energi til biobrændstoffer ved hjælp af enten kunstige materialer eller hele organismer har lav effektivitet, sagde Nicholas Kotov, Florence B. Cejka professor i ingeniørvidenskab ved University of Michigan, der ledede forsøget.

En bionisk tilgang kan ændre det.

De bioniske partikler blander styrkerne af uorganiske materialer, som let kan omdanne lysenergi til elektronenergi, med biologiske molekyler, hvis kemiske funktioner er blevet højt udviklet gennem evolution.

Holdet designede først partiklerne til at kombinere cadmiumtellurid, en halvleder, der almindeligvis bruges i solceller, med cytokrom C, et protein, der bruges af planter til at transportere elektroner i fotosyntesen. Med denne kombination, halvlederen kan omdanne en stråle fra solen til en elektron, og cytochrom C kan trække den elektron væk til brug i kemiske reaktioner, der kan rense forurening eller producere brændstof, for eksempel.

For at drive reaktioner, molekylerne af cytokrom C og nanopartikler af cadmiumtellurid skal udveksle elektroner. Denne proces ville være mest effektiv, hvis komponenterne blev forbundet, så teamet designede en proces, der ville tillade dem at samle sig til superpartikler.

U-M's Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill professor i kemiteknik, hvem ledede simuleringerne, sammenligner selvsamlingen med den måde, overfladerne af levende celler dannes på, ved hjælp af attraktive kræfter, der er stærke i små skalaer, men svækkes, når strukturen vokser. Kotovs gruppe bekræftede, at halvlederpartiklerne og proteinerne naturligt samles til større partikler, omkring 100 nanometer (0,0001 millimeter) i diameter.

Holdet byggede på denne formel for deres testreaktion. De forvandlede det forurenende nitrat til nitrit og ilt, demonstrerer, at de bioniske partikler kan udnytte sollys til at drive kemiske reaktioner. Til denne proces, halvlederen og cytokrom C havde brug for hjælp fra andre enzymer, som teamet indarbejdede i superpartiklerne.

"Vi fusionerede biologisk og uorganisk på en måde, der udnytter egenskaberne for begge til at få noget bedre end begge alene, "Sagde Glotzer.

Drevet af elektroner fra cytochrom C, enzymet kunne fjerne ilt fra nitratmolekyler.

Ligesom de strukturer, der udfører fotosyntese i planter, de bioniske partikler tog tæsk af håndteringen af ​​energien. Naturen fornyer konstant disse arbejdsdele i planter, og gennem selvmontering, partiklerne kan også være i stand til at forny sig.

Kotov sagde, at de potentielt kunne arbejde i en cyklus, der gav partiklerne tid til at samles igen efter at have været slidt ned ved brug. Han forklarede, at selvsamlingen sker, fordi de to typer byggeklodser er af samme størrelse og ladning.

"Hvis de uorganiske nanopartikler er for små, samles de ikke. For store, og de optrævler proteinerne, "sagde han." Og, hvis nanopartikler og proteiner har modsatrettede ladninger, de danner store klumper og falder ud af opløsningen. "

Glotzer sagde, at nu, hvor de forstår, hvordan monteringsfænomenerne fungerer, "Vi kan finde designprincipper både for at optimere betingelser og for at udvide vores resultater til andre typer af nanopartikel-proteinsystemer."

Et mål er omdannelse af kuldioxid og vand til naturgas, hvilket ville gøre det muligt for en stor del af den nuværende energiinfrastruktur at fortsætte med at arbejde uden netto CO2-emissioner. Men holdet overvejer mere end blot kunstige fotosynteseapplikationer.

"Disse designprincipper kan bruges til at vejlede fremtidige designs for andre bioniske systemer, ud fra de primære byggesten i biologiske organismer og uorganiske maskiner, " sagde Kotov. "Det er meget muligt, at fremtidens Terminator skal konstrueres ud fra sådanne byggeklodser."